¿Cuál es el principio de replicación del ADN?
(1) Inicio de la replicación del ADN
La fase de inicio de la replicación incluye desenrollar el origen de la replicación del ADN bicatenario y sintetizar moléculas de ARN a través de el paso de activación de la transcripción, sintetiza el cebador de ARN y agrega el primer desoxinucleótido al extremo 3'-OH del cebador de ARN mediante la ADN polimerasa. El paso clave en el inicio de la replicación es la síntesis de la cadena principal de ADN. Una vez que la cadena principal de ADN comienza a polimerizarse, también comenzará la síntesis de ADN en la cadena retrasada. Antes de que todas las cadenas principales puedan comenzar a polimerizarse, es necesario transcribir una a lo largo de la plantilla de la cadena retrasada mediante la ARN polimerasa (no primasa). En algunas replicaciones de ADN, como el plásmido ColE, se añaden moléculas de ARN como cebadores para la replicación del ADN. Sin embargo, en la mayoría de las replicaciones del ADN, esta molécula de ARN no tiene función de cebador. Parece que su función es simplemente separar las dos cadenas de ADN, exponiendo algunas secuencias específicas para que el iniciador se una a ellas e iniciar la síntesis de cebadores de ARN en la cadena principal de ADN molde. Este proceso se llama activación transcripcional y requiere otras proteínas, como la proteína dnaA de E. coli, durante el inicio de la replicación en la cadena principal. Estas dos proteínas pueden unirse a cuatro secuencias de ADN altamente conservadas de 9 pb de largo en el origen de la replicación, pero sus funciones específicas no están claras. Puede ser que la combinación de estas proteínas con el origen de la replicación del ADN impulse a las siete proteínas del complejo de la ADN polimerasa III a ensamblarse en una holoenzima funcional en el origen de la replicación del ADN. Al comienzo de la replicación del ADN, la ADN helicasa desenrolla el ADN bicatenario en el origen de la replicación. Las moléculas de ARN sintetizadas mediante activación transcripcional también desempeñan un papel en la separación de las dos cadenas de ADN y luego del ADN monocatenario unido a la proteína. combina con el hilo desenredado. El precursor consta de seis proteínas, incluido el factor de replicación X (proteína n), el factor de replicación Y (proteína N'), la proteína N", la proteína I, la proteína dnaB y la proteína dnaC, que se une a La combinación de ADN monocatenario para formar un intermediario es un proceso de preiniciación. El iniciador se ensambla además con primasa para formar un cebador, que puede moverse en el ADN monocatenario y reconocer la replicación del ADN bajo la acción de la subunidad dnaB. Primero, un cebador de ARN. se sintetiza en la cadena principal por primasa. Luego, el iniciador se mueve continuamente en la dirección 5'→3' en la cadena retrasada (este es un movimiento relativo, o la plantilla de la cadena retrasada se está moviendo, ver (Abajo), ARN. Los cebadores se sintetizan repetidamente a cierta distancia para que la ADN polimerasa III sintetice fragmentos de Okazaki. Las funciones de muchos factores proteicos en el iniciador no están claras, pero estos componentes deben trabajar juntos para permitir que el iniciador se mueva sobre la cadena retrasada y la reconozca. La posición de síntesis del cebador adecuada se utiliza para polimerizar nucleótidos en cebadores de ARN en la posición inicial. Debido a que el iniciador se mueve en la dirección opuesta a la dirección en la que sintetiza el cebador, el cebador de ARN sintetizado en la cadena retrasada es muy corto, generalmente solo. 3. -5 nucleótidos de largo Además, estos cebadores tienen secuencias similares en células del mismo organismo, lo que muestra que la primasa necesita estar en una posición específica (secuencia) en la plantilla de la cadena retrasada del ADN para sintetizar el cebador de ARN. p>
¿Por qué se necesitan cebadores de ARN para desencadenar la replicación del ADN? Esto puede estar relacionado con minimizar las mutaciones al comienzo de la replicación del ADN. Los pocos nucleótidos al comienzo de la replicación del ADN son los más propensos a errores, por lo que incluso si hay errores. en los cebadores de ARN, eventualmente serán polimerizados por la eliminación del ADN. La eliminación de la enzima I mejora la precisión de la replicación del ADN. Una vez formado el cebador de ARN, se agrega el primer desoxinucleótido al extremo 3'-OH del cebador de ARN bajo catálisis. de la ADN polimerasa III basada en el principio de complementación de bases, y extiende la cadena de ADN
(extensión de la cadena de ADN
La síntesis de cadenas de ADN nacientes está catalizada por la ADN polimerasa III, pero el ADN debe ser movido por la helicasa cuando se mueve en la horquilla de replicación. Entonces surge un problema topológico: debido a la fusión del ADN, inevitablemente se producirán superenrollamientos positivos en la región de doble hebra del ADN, lo que es más obvio en el caso de las circulares. ADN y dificultará las bifurcaciones de replicación. Continúe avanzando, terminando así la replicación del ADN. Sin embargo, la replicación del ADN en las células no se detendrá debido a problemas topológicos. Hay dos mecanismos para prevenir este fenómeno: [1] El ADN en sí es una superenrollamiento. células biológicas, que se genera cuando el ADN se funde. Una superenrollamiento positiva puede ser neutralizada por la superenrollamiento negativa original; [2] la ADN topoisomerasa I necesita abrir una cadena para cambiar el estado superenrollado positivo a un estado relajado, mientras que la ADN topoisomerasa II (girasa). ) El estado superenrollado negativo se puede introducir continuamente en el ADN bicatenario antes de descomprimirlo. Estos dos mecanismos garantizan que tanto el ADN circular como el ADN circular abierto puedan fundirse con éxito y luego sintetizarse mediante la cadena de ADN polimerasa ⅲ. , la extensión de la cadena de crecimiento del ADN está catalizada principalmente por la ADN polimerasa, que es un polímero compuesto por siete proteínas (péptidos) llamado holoenzima. Se requieren todas las subunidades de la enzima completa para completar la replicación del ADN. La subunidad α tiene función de polimerización y actividad exonucleasa 5'→3', y la subunidad ε tiene actividad exonucleasa 3'→5'.
Además, la holoenzima contiene una molécula de ATP, que es necesaria para que la ADN polimerasa III catalice la conexión del primer desoxinucleótido con el cebador de ARN. Se desconocen las funciones de otras subunidades.
En la bifurcación de replicación del ADN, dos conjuntos de ADN polimerasa ⅲ deberían poder copiar la cadena principal y la cadena final del ADN simultáneamente. Si la plantilla de la cadena retrasada rodea la holoenzima de la ADN polimerasa III, pasa a través de la ADN polimerasa III y luego se dobla en la misma dirección que el ADN bicatenario no fundido, la síntesis de la cadena retrasada puede proceder en la misma dirección que la síntesis de la hebra principal.
Así, el cebador de ARN sintetizado por una primasa específica puede ser extendido por la ADN polimerasa III a medida que se mueve a lo largo de la plantilla de la cadena retrasada. Cuando la cadena de ADN sintetizada alcanza la ubicación del fragmento de Okazaki previamente sintetizado, la plantilla de la cadena retrasada y el fragmento de Okazaki recién sintetizado se liberan de la ADN polimerasa III. En este momento, a medida que la bifurcación de replicación continúa avanzando, se produce otra plantilla de cadena rezagada monocatenaria, que vuelve a encerrar toda la enzima de la ADN polimerasa III y comienza a sintetizar un nuevo fragmento de Okazaki de la cadena rezagada mediante la ADN polimerasa III. Por este mecanismo, la síntesis de la hebra líder no supera a la de la hebra rezagada (acaba teniendo sólo la longitud de un fragmento de Okazaki). Además, el iniciador se mueve a lo largo de la cadena de ADN a la misma velocidad que la ADN polimerasa III.
Según el mecanismo de replicación del ADN mencionado anteriormente, cerca de la horquilla de replicación se forma un complejo del tamaño de un ribosoma compuesto por dos conjuntos de moléculas de holoenzima, iniciadores y hélices de la ADN polimerasa III, que se denomina replicador de ADN. . A medida que la réplica se mueve sobre las plantillas de las cadenas delantera y trasera del ADN, sintetiza una cadena delantera continua de ADN y una cadena retrasada compuesta por muchos fragmentos de Okazaki. En el proceso de síntesis y elongación del ADN, la ADN polimerasa III desempeña un papel importante. Cuando se forma el fragmento de Okazaki, la ADN polimerasa I escinde el cebador de ARN del fragmento de Okazaki mediante su actividad exonucleasa 5'→3' y, al mismo tiempo, utiliza el último fragmento de Okazaki como cebador para sintetizar el ADN de 5'→3'. . Los dos últimos fragmentos de Okazaki se unen mediante ADN ligasa para formar una hebra rezagada de ADN completa.
(Terminación de la replicación del ADN
En el pasado, se creía que una vez que comienza la replicación del ADN, todas las moléculas de ADN se copiarán antes de que termine su replicación. Pero experimentos recientes han demostrado Sin embargo, la estructura y función de la fase de terminación de la replicación del NDA no se conocen bien en la actualidad. La pregunta es ¿cómo completan su replicación los dos extremos de una molécula de ADN lineal? Se sabe que los cebadores de ARN participan en la replicación del ADN. Cuando se elimina el cebador de ARN, el espacio que queda en el medio se llena mediante la polimerización de la cadena retrasada. utilizando 5'→3' como plantilla en ambos extremos de la molécula sexual, los cebadores de ARN en los extremos no pueden ser llenados por la ADN polimerasa después de ser eliminados.
Este problema se resolvió parcialmente al estudiar la replicación del ADN T7. La longitud de la secuencia de ADN en ambos extremos del ADN T7 es de 160 pb, y cuando se replica el ADN T7, la molécula de ADN hija resultante no es una unidad de longitud del ADN T7, sino que las moléculas de ADN de las dos unidades de progenie del ADN T7 están conectadas de extremo a extremo. -Extremo de la cola monocatenaria del extremo ', la cola del extremo 3' de los dos ADN de la progenie forma una conexión lineal de dos unidades de ADN T7 mediante una combinación complementaria, y luego se llena con ADN polimerasa I y después de conectarse con ADN ligasa. se replican continuamente para formar moléculas de ADN T7 de cuatro unidades de longitud. Esta replicación puede formar moléculas de ADN T7 de múltiples unidades de longitud. Dichas moléculas de ADN T7 pueden cortarse mediante endonucleasas específicas, y se pueden cortar moléculas de ADN T7 de doble cadena que sean idénticas al ADN original. completado por la ADN polimerasa. >
En el estudio de la replicación del poxvirus, descubrimos una segunda forma para que las moléculas de ADN lineales completen la replicación final. Cuando el ADN del poxvirus forma una estructura en forma de horquilla en ambos extremos, comienza desde un origen de replicación en. el centro de la molécula lineal Comience trabajando en ambas direcciones, convirtiendo la estructura del bucle en forma de horquilla en un ADN circular de doble hebra. Luego, corte las diferentes hebras de ADN en el centro de la horquilla, desnaturalizando la molécula de ADN y separando las dos hebras. La cola monocatenaria debería ser autocomplementaria, formando una estructura de horquilla completa, al igual que la molécula de ADN original. Tampoco está claro cómo se produce el proceso de replicación en los extremos de las moléculas de ADN lineales eucariotas. La replicación del ADN del extremo del cromosoma eucariótico es una enzima especializada que agrega una nueva secuencia de ADN terminal al final del ADN recién replicado. Descubierto por primera vez en Tetrahymena, hay entre 30 y 70 copias de la secuencia 5'TTGGGG 3' en los extremos de las moléculas de ADN lineal. en las células de este organismo hay una enzima en esta célula que puede agregar la secuencia TTGGGG a los extremos del ADN de enlace simple preexistente. En la secuencia TTG GGG, hay un ADN monocatenario terminal muy largo, que puede. ser reiniciado por primasa u otras proteínas enzimáticas para sintetizar cebadores de ARN, y la ADN polimerasa lo convertirá en ADN bicatenario. Esto evita que su ADN se acorte a medida que continúa replicándose.
Este problema no existe en la etapa de terminación terminal de la replicación circular del ADN.
Al final de la replicación circular del ADN, la ADN topoisomerasa II escinde el ADN bicatenario y las dos moléculas de ADN se separan en dos ADN hijos intactos que son idénticos a las moléculas de ADN originales.
La replicación del ADN en el contexto de la biología de la escuela secundaria
La replicación del ADN es un proceso de desenrollado y replicación. Al comienzo de la replicación, la molécula de ADN utiliza primero la energía proporcionada por la célula para desenrollar las dobles hebras de las dos hélices bajo la acción de la helicasa. Este proceso se llama desenrollado. Luego, cada cadena principal desenredada se utiliza como plantilla y cuatro desoxinucleótidos del entorno circundante se utilizan como materia prima. Bajo la acción de la ADN polimerasa, de acuerdo con los principios de emparejamiento de bases y emparejamiento complementario, se sintetiza una subcadena principal. -hebras. Con el proceso de desenrollado, las hebras hijas recién sintetizadas también continúan extendiéndose, y cada hebra hija se enrolla con su hebra madre en una estructura de doble hélice, formando así una nueva molécula de ADN.
De esta manera, después de copiar una molécula de ADN, ¡se distribuye a dos células hijas mediante división celular!